基于涡度相关通量的生态模型关键参数优化及其时空变异特征研究

陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点，生态模型是估算陆地生态系统碳收支的有效途径之一，但模型参数对模拟结果具有显著影响。针对不同的生态系统确定这些参数是减小模型结果误差需要解决的问题之一。虽然可在叶片尺度观测这些参数，但还没有在冠层尺度对其直接观测的方法。长期涡度相关通量观测推动了采用数据模型融合方法反演模型参数的研究，这已成为国际上碳循环研究的前沿，但我国在这方面的研究刚刚起步。本项目利用我国东部森林样带上典型生态系统的多年连续涡度相关通量数据，辅以植被生理特征观测资料，优化确定最大羧化速率（Vcmax）、最大电子传输速率（Jmax）和气孔导度对土壤水分胁迫的敏感性（m）等参数，分析这些参数的时空变异特征及其主控因子；发展表征这些参数变化的参数化方案；评价模型参数优化对碳水通量模拟结果的影响。研究成果将推动我国碳循环研究领域模型数据融合技术的发展，具有重要的科学意义和应用价值。

最大羧化速率（Vcmax）、电子传输速率（Jmax）和气孔导度对土壤水分胁迫的敏感性参数(m)是反应光合作用重要生理参数。Vcmax、Jmax和m会随着环境因子、生长季节、以及植物养分利用状况而变化。然而，由于冠层具有非均匀性，不能简单地将叶片尺度的观测结果直接应用到冠层，直接在冠层尺度对这三个参数进行观测也很困难，因此，现有的生态模型中，这三个参数多是根据植被类型进行取值，这给模拟结果带来了较大的误差。优化确定Vcmax、Jmax和m，对提高光合作用的精度具有重要意义。本项目以长白山针阔混交林、千烟洲人工针叶林和鼎湖山常绿阔叶林为研究站点，利用集合卡尔曼滤波方法，通过通量站点观测的半小时尺度的GPP、LE和SH数据，优化确定BEPS模型中的Vcmax、Jmax和m。研究结果表明，三个站点的Vcmax、Jmax和m具有明显的季节变化特征。长白山站生长季开始Vcmax、Jmax和m从逐渐增大，到7、8月份达到最大值，之后开始逐渐下降。千烟洲站，由于受到季节性干旱的影响，千烟洲人工常绿针叶林的Vcmax、Jmax和m的季节和年际变化与土壤水分和饱和水汽压差之间有密切的关系，Vcmax、Jmax和m呈现出双峰曲线的变化特征。鼎湖山站，尽管优势数树种为常绿阔叶林，但是由于环境因子的影响，Vcmax、Jmax和m也呈现出明显的季节变化。参数优化后，BEPS模型模拟的GPP、LE和SH与观测值之间的一致性得到明显提高。改变GPP、LE和SH的误差，将误差分别设置为5%、10%、20%和30%，表明CBS参数优化的结果对GPP数据的精度敏感，对LE精度不敏感；QYZ参数优化的结果GPP和LE的精度都较为敏感。